## PENGARUH KONSENTRASI HIPOFOSFIT DAN WAKTU PELAPISAN TERHADAP KARAKTERISTIK MIKROSTRUKTUR LAPISAN ELECTROLESS Ni-P

## EFFECT OF HYPOPHOSPHITE CONCENTRATION AND PLATING TIME ON MICROSTRUCTURE CHARACTERISTICS Ni-P ELECTROLESS COATING
Arini Nikitasari (1) dan Efendi Mabruri (2)
Pusat Penelitian Metalurgi dan Material – LIPI (2)
Kawasan Puspiptek Gedung 470, Serpong E-mail: (1) arini_nikitasari@yahoo.com, (2) efendi_lipi@yahoo.com
Diterima : 10 Januari 2017 Direvisi : 20 Februari 2017 Disetujui : 6 Maret 2017

## ABSTRAK
Pengaruh  variasi  konsentrasi  hipofosfit  dan  waktu  pelapisan  terhadap  karakteristik  mikrostrukur  lapisan electroless Ni-P disajikan dalam artikel ini. Material yang digunakan pada penelitian ini adalah  martensit stainless steel 420. Karakteristik mikrostruktur yang diteliti untuk konsentrasi hipofosfit (10 g/L; 20 g/L; 30 g/L) dan waktu pelapisan (30 min, 60 min, 120 min, 180 min) menggunakan scanning electron microscope (SEM). Diperoleh hasil bahwa  morfologi  lapisan electroless  Ni-P yang  terbentuk  berbentuk  bulat.  Ukuran  butir  dan  kerapatan  struktur bertambah  seiring  dengan  peningkatan  waktu  pelapisan.  Kadar  fosfor  dalam  lapisan  meningkat  dengan  kenaikan kandungan hipofosfit dan waktu pelapisan. Kadar nikel dalam lapisan yang paling optimal adalah hipofosfit dengan konsentrasi 20 g/L. Ketebalan lapisan berbanding lurus dengan waktu pelapisan. Konsentrasi  hipofosfit 20 g/L dan waktu  pelapisan  120  menit  adalah  kondisi  optimum  untuk  pelapisan  karena  menghasilkan  lapisan  dengan mikrostruktur dan distribusi komponen yang seragam.
Kata Kunci : martensit, stainless steel 420, morfologi, scanning electron microscope (SEM), electroless Ni-P

## ABSTRACT
The effect of various hypophosphite concentration and plating time on the microstructure characteristics of Ni-P electroless deposited coating is presented. The substrate used in this research was martensitic stainless steel. The microstructure characteristics were investigated for hypophosphite concentration (10 g/L ; 20 g/L ; 30 g/L ) and plating time (30 min, 60 min, 120 min, 180 min) using scanning electron microscope (SEM). It  was evaluated that morphology of Ni-P electroless coating is spheroidal. Grain size and structure density increased with plating time. Phosphor  content  of  coating  increased  with  hypophosphite  concentration  and  plating  time.  The  optimum  nickel content  is  hypophosphite  with  concentration  of  20 g/L .  Layer  thickness  was  proportional  to  the  plating  time. Hypophosphite concentration of 20 g/L and plating time of 120 min were the optimum condition for coating due to the uniformity of microstructure and component distribution.
Keywords : martensitic, stainless steel 420, morpholology, scanning electron microscope (SEM), electroless Ni-P

## PENDAHULUAN
Proses  pelapisan  adalah  metode  paling populer  untuk  melindungi  material  dari  keausan dan  korosi.  Deposisi  pelapisan  pada  umumnya dilakukan  dalam  media  larutan  menggunakan arus listrik atau tanpa arus listrik ( electroless ) [1]. Electroless ditemukan  oleh  Brenner  and  Riddle untuk  melapisi  bagian  dalam  pipa  pada  tahun
1946.  Setelah itu  penggunaan electroless diperluas  pada  material  lain  seperti  kayu,  fiber, plastik,  kertas,  kaca,  dan  keramik  pada  tahun 1960-an [2]. Deposisi electroless seperti Ag, Au, Cu,  Pt,  dan electroless nikel  fosfor  (ENP), banyak  digunakan  dalam  dunia  industri  karena dapat  menghasilkan  lapisan  yang  seragam pada  komponen  seberapapun  rumit  bentuk komponennya.  Dari  berbagai  variasi  metode
electroless ,  ENP  adalah  yang  paling  banyak digunakan  karena  dapat  melapisi  semua  jenis substrat  seperti  logam,  kaca,  dan  polimer  [3]; selain  itu  hasil  lapisan  yang  dihasilkan  memiliki sifat  yang  unggul  seperti  kekerasannya  tinggi, bagus  dalam  mengatasi  keausan,  dan  tahanan korosinya tinggi [4-8].
Pelapisan electroless nikel  fosfor  (ENP) adalah  deposisi  autokatalitik  paduan  Ni-P  dari larutan ke permukaan substrat tanpa aplikasi arus listrik.  Oleh  karenanya,  ENP  sangat  berbeda dengan elektroplating konvensional yang tergantung  pada  sumber  eksternal  arus  listrik (DC)  untuk  mereduksi  ion  nikel  pada  elektrolit menjadi  logam  nikel  pada  substrat  [9].  Nikel sulfat  (NiSO 4 )  dan  sodium  hipofosfit  (NaH 2 PO 2 ) sebagai  agen  pereduksi  adalah  komposisi  utama pada pelapisan electroless Ni-P [10]. Mekanisme pelapisan electroless Ni-P  adalah  sebagai berikut :
Ni 2+ + H 2 PO 2 - + H 2 O  Ni 0 + H 2 PO 3 - + 2H + (1) H 2 PO 2 - + H 2 O  H 2 + H 2 PO 3 - (2)
Ketika  Ni 2+ ,  H 2 PO 2 - ,  dan  H + terabsorbsi pada  permukaan  material,  terjadi  perbedaan potensial  pada  ion  yang  terabsorbsi  sehingga reaksi berlangsung [2].
Sifat  dan  mikrostruktur  lapisan  ENP tergantung  pada  kandungan  fosfor  (P)  dalam paduan.  Umumnya,  fosfor  rendah  memiliki struktur  mikrokristal  dan  memiliki  tahan  aus yang bagus tetapi cenderung kurang bagus dalam ketahanan  korosinya  pada  lingkungan  klorida. Medium  fosfor  (4  hingga  10%  P)  memiliki ukuran  kristal  yang  lebih  kecil  dan  cenderung semi-amorphous,  sedangkan  fosfor  tinggi  (lebih dari  10%  P)  berbentuk  amorf  dan  memiliki ketahanan korosi terbaik [4, 9]. Tujuan dari studi ini  adalah  menganalisa  pengaruh  konsentrasi hipofosfit dan waktu pelapisan terhadap karakteristik mikrostruktur dari lapisan electroless nikel fosfor.

## BAHAN DAN METODE

## Bahan
Bahan  yang  digunakan  pada  penelitian  ini adalah  martensitik stainless  steel 420.  Tabel  1 menunjukkan  komposisi  kimia  dari  bahan  yang digunakan. Penggunaan baja tahan karat martensitik SS 420 pada penelitian ini karena SS 420  banyak  digunakan  sebagai  bahan  pada  sudu turbin  uap.  Bahan  sudu  turbin  uap  harus  tahan korosi  sehingga  dengan  adanya  pelapisan
electroless Ni-P  pada  SS  420  diharapkan  akan menambah ketahanannya terhadap korosi.
Sampel  pada  penelitian  ini  dibuat  dengan memotong  SS  420  yang  berbentuk  silinder menjadi  bentuk  kotak  berukuran  2  cm  x  2  cm. Selanjutnya sampel dilubangi dan dipoles.
Tabel 1. Komposisi kimia martensitik SS 420 C Si S P Mn Ni Cr Fe 0,4  0,3  0,02  0,02  0,4 0,15  12,41  Bal

## Metode
Sebelum  melakukan  pelapisan electroless , sampel  dibersihkan  terlebih  dahulu.  Pertama- tama  permukaan  sampel  dibersihkan  secara manual dari produk korosi dan dicuci menggunakan  deterjen  lalu  dibilas  menggunakan aquadest , dan direndam dalam  10 mL HNO 3 , 20 mL  HCl,  dan  30  mL  H 2 O  pada  suhu  ruang selama  2  menit.  Setelah  itu,  sampel  dibilas dengan  menggunakan aquadest .  Selanjutnya, sampel  diaktivasi  menggunakan  0,6  g/L  PdCl 2 + 5 mL HCl pada suhu ruang selama 10 menit lalu direndam  dalam aquadest selama  1  menit. Terakhir  sampel  direndam  dalam  50  g/L NaH 2 PO 2 selama 10 menit dan dibilas menggunakan aquadest lalu  sampel  dimasukkan ke dalam larutan electroless Ni-P [4].
Pelapisan electroless dilakukan  dengan merendam  sampel  ke  dalam  250  mL  larutan electroless Ni-P  selama  30  menit,  60  menit,  120 menit,  dan  180  menit.  Komposisi  kimia  dari larutan electroless Ni-P disajikan dalam  Tabel 2. Temperatur  pelapisan  dijaga  pada  suhu  80 ° C. Setelah  proses  pelapisan electroless tersebut setiap  sampel  dikeringkan  dan  disiapkan  untuk analisa  komposisi.  Alat  yang  digunakan  untuk observasi  lapisan  Ni-P  yaitu scanning  electron microscope (SEM, JEOL Model JSM-5400) yang dilengkapi  dengan  EDAX  yang  dapat  digunakan untuk analisa komposisi kimia lapisan.
Tabel 2. Komposisi Kimia Electroless Ni-P Komposisi Konsentrasi (g/L) Nikel Sulfat (NiSO 4 .6H 2 O) 35 Sodium Sitrat (Na 3 C 6 H 5 O 7 ) 15
Sodium Hipofosfit (NaH 2 PO 2 .H 2 O) 10; 20; 30
Sodium Asetat
(NaOOCCH 3 .3H 2 O)
5

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Struktur Morfologi
Struktur  morfologi  dari electroless Ni-P dianalisa  menggunakan Scanning  Electrone Microscope (SEM).  Gambar  1  menampilkan hasil  analisa  SEM  terhadap  semua  sampel electroless Ni-P dengan berbagai variasi konsentrasi  hipofosfit  (sumbu-y)  dan  waktu pelapisan  (sumbu-x).  Morfologi  permukaan semua  lapisan electroless Ni-P  menunjukkan struktur  bulat.  Hasil  morfologi  ini  sesuai  dengan hasil  penelitian  I.  E.  Ayoub  [4].  Pada  Gambar.1 dapat  dilihat  bahwa  ukuran  butir  dan  kerapatan
struktur  bertambah  seiring  meningkatnya  waktu pelapisan.  Area  lubang  hitam  pada  waktu pelapisan 30 menit dengan konsentrasi  hipofosfit 10  g/L  dan  30  g/L  mengindikasikan  lapisan electroless Ni-P  tidak  melapisi  permukaan substrat secara seragam. Lapisan electroless Ni-P dengan konsentrasi hipofosfit 20 g/L menunjukkan  struktur  terbaik  karena  lapisan yang  terbentuk  seragam  dan  dapat  menutupi permukaan  substrat  dengan  lebih  sempurna  dan rapat.  Waktu  pelapisan  120  menit  adalah  waktu yang  paling  optimal,  karena  celah  atau  lubang hitam  yang  terbentuk  lebih  sedikit  dibandingkan waktu pelapisan lainnya.
Gambar 1. Hasil SEM electroless Ni-P Analisa EDS Analisa EDS ( Energy Dispersive Spectroscopy ) digunakan untuk melihat komposisi  kimia  dari  lapisan  Ni-P  yang terbentuk.  Hasilnya  ditampilkan  pada  Tabel  3. Berdasarkan Tabel 3, kandungan fosfor meningkat  seiring  dengan  kenaikan  konsentrasi hipofosfit  dan  waktu  pelapisan.  Hasil  analisa EDS menunjukkan bahwa kandungan fosfor pada lapisan electroless Ni-P yang terbentuk sekitar 4- 10%  berat.  Dengan  demikian,  lapisan  Ni-P  yang dihasilkan dapat diklasifikasikan sebagai medium
fosfor.  Klasifikasi  ini  mempunyai  ukuran  kristal yang  lebih  kecil  dan  cenderung  memiliki mikrostrutur  semi-amorf.  Industri  menyebutkan jumlah  fosfor  pada  Ni-P  berada  pada  range  6-9 persen  berat  [6].  Berdasarkan  Tabel  3,  beberapa sampel memenuhi range industri.
Kadar  nikel  terbaik  adalah  sampel  dengan konsentrasi  hipofosfit  20  g/L  (lebih  dari  90 persen berat). Electroless Ni-P dengan  hipofosfit 10  g/L  dan  30  g/L  memiliki  kadar  nikel  kurang dari  90%  berat  karena  adanya  pengotor  seperti unsur C, Cr, O, Na, dan S.
Tabel 3. Hasil Analisa EDS Lapisan Electroless Ni-P. No Hipofosfit (g/L) Waktu (menit) Ni (%) P (%) Fe (%) C (%) Cr (%) O (%) Na (%) S (%) 1 10 30 83 5 4 7 1 - - - 2 10 60 71 5 2 7 0 8 6 - 3 10 120 84 6 1 5 - 4 - - 4 10 180 69 6 - 7 - 12 5 1 5 20 30 93 4 3 - - - - - 6 20 60 90 6 3 - - 1 - - 7 20 120 91 6 1 - - 2 - - 8 20 180 94 6 - - - - - - 9 30 30 89 6 5 - 1 - - - 10 30 60 89 6 4 - - - - - 11 30 120 82 8 2 6 1 2 - - 12 30 180 60 10 2 8 - 15 6 7

## Ketebalan Lapisan
Gambar  2  menunjukkan  ketebalan  lapisan rata-rata dari berbagai waktu pelapisan. Ketebalan pelapisan meningkat seiring meningkatnya waktu pelapisan ketika konsentrasi hipofosfit  20  g/L,  sementara  konsentrasi  lainnya mempunyai  ketebalan  yang  fluktuatif  terhadap waktu pelapisan.
Gambar 2. Ketebalan Lapisan Rata-rata pada Berbagai Konsentrasi Hipofosfit dan Waktu Pelapisan
Gambar 3. Pengukuran Ketebalan Lapisan Electroless Ni-P dengan  Konsentrasi
Hipofosfit 20 g/L dan Waktu Pelapisan 120 menit.
Konsentrasi hipofosfit 20
g/L menghasilkan lapisan Ni-P yang paling tebal dan konsentrasi  hipofosfit  menghasilkan  lapisan dengan  ketebalan  paling  tipis.  Garis-garis berwarna  hitam  pada  Gambar  3  menunjukkan pengukuran  ketebalan  lapisan  untuk  sampel dengan  konsentrasi  hipofosfit  20  g/L  dan  waktu pelapisan 120 menit.

## KESIMPULAN
Penelitian  ini  menunjukkan  bahwa  variasi konsentrasi  hipofosfit  dan  waktu  pelapisan memiliki pengaruh terhadap karakteristik morfologi  dari  lapisan electroless Ni-P.  Ukuran partikel  lebih  besar  dan  lebih  rapat  dengan bertambahnya waktu pelapisan. Struktur morfologi permukaan yang paling bagus dihasilkan pada konsentrasi hipofosfit 20 g/L dan waktu  pelapisan  120  menit  karena  lapisan  yang terbentuk  seragam  dan  tidak  ada  celah  atau kerusakan  yang  parah  pada  permukaan  lapisan yang  terbentuk.  Kadar  fosfor  meningkat  seiring bertambahnya konsentrasi hipofosfit dan waktu  pelapisan.  Lapisan yang terbentuk diklasifikasikan sebagai medium fosfor electroless nikel.  Klasifikasi  ini  mempunyai ukuran  kristal  yang  lebih  kecil  dan  cenderung memiliki  mikrostruktur  semi-amorf.  Konsentrasi sodium  hipofosfit  20  g/L  menghasilkan  kadar nikel  terbesar  (lebih  dari  90%  berat)  dan ketebalan lapisan yang paling tinggi.
14µm 18,5µm 12,6µm 22,1µm

## UCAPAN TERIMA KASIH
Terima  kasih  penulis  sampaikan  kepada Pusat  Penelitian  Metalurgi  dan  Material-LIPI yang  telah  membiayai  penelitian  ini  melalui mekanisme Tematik 2016.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] B.  Panja  and  P.  Sahoo,  “Wear  behaviour of  electroless  Ni-P  coatings  in  brine solution  and  optimization  of  coating parameters,” Procedia  Technol. ,  vol.  14, pp. 173–180, 2014.
[2] I. Kwon, H. Kim, and S. Bum, “Journal of Industrial  and  Engineering  Chemistry Optimization of barrel plating process for electroless  Ni - P  plating,” J.  Ind.  Eng. Chem. ,  vol.  20,  no.  5,  pp.  3767–3774, 2014.
[3] M. Zhang, S. Mu, Q.  Guan, W. Li, and J. Du,  “Applied  Surface  Science  A  high anticorrosive  chromium-free  conversion coating prepared with an alkaline conversion  bath  on  electroless  Ni - P coating” Appl.  Surf.  Sci. ,  vol.  349,  no. 2015, pp. 108–115, 2017.
[4] I.  E.  Ayoub,  “Study  of  Electroless  Ni-P Plating  on  Stainless  Steel,”  Vol.1  no.1, pp. 13–16, 2009.
[5] J.  N.  Balaraju,  S.  K.  Seshadri,  M.  S. Division,  N.  A.  Laboratories,  and  M.
Centre,  “Electroless  Ni - P  composite coatings,” pp. 807–816, 2003.
[6] J.  Wojewoda-budka,  A.  Wierzbicka- miernik,  L.  Litynska-dobrzynska,  and  M.
J. Szczerba, “Electrochimica Acta
Microstructure  characteristics  and  phase transformations  of  the  Ni-P  and  Ni-P-Re electroless  deposited  coatings  after  heat treatment,” vol. 209, pp. 183–191, 2016.
[7] Z.  Sharifalhoseini  and  M.  H.  Entezari, “Applied  Surface  Science  Enhancement of  the  corrosion  protection  of  electroless Ni - P coating by deposition of sonosynthesized  ZnO  nanoparticles,”
Appl. Surf. Sci. , vol. 351, pp. 1060–1068,
2015.
[8] V. K. Bulasara, H. Thakuria, R. Uppaluri, and  M.  K.  Purkait,  “Journal  of  Materials Processing  Technology  Combinatorial performance  characteristics  of  agitated nickel  hypophosphite  electroless  plating baths,” J. Mater. Process. Tech. , vol. 211, no. 9, pp. 1488–1499, 2011.
[9] R.  Taheri,  I.  N.  A.  Oguocha,  and  S. Yannacopoulos, “The tribological
characteristics of electroless NiP
coatings,” vol. 249, January, pp. 389–396,
2001. [10] A.L.  Koswara,  “Teknik  pelapisan  pada paduan Al-2024 dengan metode
electroless nickel,”  no.  20,  pp.  36–41, 2006.